基于測試手機的GSM-R無線網絡優化測試系統開發

馬 汀

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

1 概述

GSM-R系統是鐵路綜合數字無線通信平臺，主要為調度通信、鐵路運輸作業、區間維護作業及列控系統應用等提供無線通信服務。在CTCS-3線路中，GSM-R網絡是CTCS-3級列控系統車-地雙向傳輸的唯一方式，是保障列車安全運行的重要手段之一，因而對GSM-R網絡服務質量要求特別高。根據鐵路GSM-R系統建設、調試和開通經驗，無線網絡優化工作對于GSM-R網絡質量起著至關重要的作用。GSM-R系統需要在設備調試和聯調聯試階段進行網絡優化、調整才能使網絡服務質量滿足各類業務的要求。

為了在設備調試和聯調聯試階段能夠更精確、完整地獲取有用的數據信息，本文將討論利用測試手機開發GSM-R無線網絡優化測試系統。通過對測試功能需求分析，提出測試系統軟件的主要架構以及深度的分層模塊設計。

2 測試系統總體設計

2.1 主要功能

GSM-R網絡測試與優化系統，為GSM-R網絡規劃提供依據，以便及時發現網絡存在的問題。按照鐵路測試標準和方法，為無線覆蓋分析、服務質量統計提供手段，為網絡優化調整提供依據。

測試系統應該具有全面的QoS指標測試功能，以達到對GSM-R無線網絡進行有效評估的目的，同時還應有生動的數據顯示功能、數據存儲和回放功能、數據報表功能。

根據GSM-R網絡優化的以往經驗及實際分析，測試功能劃分如圖1所示。

1）場強覆蓋測試

測試指標包括：鐵路沿線服務小區頻道、GPS位置信息、接收場強等信息。測試中通過GPS采集地理位置信息，通過測試手機采集場強信息，借以測試軟件綜合歸納為圖表，從而分析網絡質量。

2）語音撥打測試

由于鐵路業務的特殊性，語音呼叫測試主要包括：鐵路緊急呼叫、同一區域內司機間的組呼、MS-FT的運營呼叫、FT-MS的運營呼叫、MS之間的運營呼叫、低優先級呼叫。此類測試主要是從終端用戶角度對網絡的語音呼叫性能進行測試，指標包括：語音呼叫建立時間、語音呼叫建立成功率、越區切換中斷時間及切換終端率。

3）列控類數據測試

測試指標包括：連接建立時延、連接建立失敗概率、鏈路斷開（失效）概率、用戶數據幀傳送時延、傳輸干擾時間TTI、傳輸無差錯時間TREC和網絡注冊時延。

4）無線網絡參數和事件測試

無線網絡接口存在大量參數，這些參數的設置和調整對整個GSM-R／GPRS網絡的運作具有相當的影響，因此在網絡測試中需要對這些參數進行跟蹤與測試。切換、注冊等無線網絡事件直接反映網絡質量，是測試中非常關心的內容。這部分內容應包括：無線網絡事件發生的時間、地點、發生事件前后網絡參數變化情況、事件發生的成功率、事件失敗的原因。從對無線網絡參數和信令的測試中能夠清晰看出事件發生及失敗的原因，從而檢測實際中無線網絡事件發生的情況是否和規劃時考慮的一致，修整不合理的參數設置。

2.2 測試系統組成

根據無線網絡測試內容以及在高速鐵路中的測試需求，本系統通過圖形化界面控制測試設備完成場強覆蓋測試、語音撥打測試、列控數據測試等各類測試內容，將采集的數據以圖表及二維坐標圖形實時顯示，并存儲于數據庫，用以備份作為后續數據分析。根據系統功能需求，GSM-R測試系統需要測試手機、GSM-R測試模塊、GSM測試模塊和GPS接收機，并需要軟件對這些測試設備進行控制。

測試系統配置包括：便攜計算機、測試手機、GPS接收器、數據線、網線、信息采集綜合平臺、顯示分析平臺，并配各車載測試用集中供電單元，系統結構如圖2所示。

2.3 測試流程

本系統通過GPS獲取測試機車移動的距離，以時間觸發方式進行測試，采集測試數據，并進行研究分析。測試流程如圖3所示。

3 測試系統實現

系統開發環境為Windows XP，開發平臺為VS（版本為Microsoft visual studio 2010），主要完成用戶界面和模塊調用及各個模塊的設計。具體開發環境如表1所示。

表1 測試系統開發環境

3.1 系統模型

整個系統從結構上可以分為3層：數據采集層、數據處理層和用戶層。數據采集層和數據處理層通過串口進行通信，數據處理層和用戶層通過網絡交換數據。系統結構如圖4所示。

1）數據采集層

信息采集層的功能是控制測試手機執行相應的操作，對于測試手機返回的數據進行解幀，然后按照統一規定的信息幀格式將數據進行封裝，將數據傳遞給數據處理層。采集控制命令及配置參數通過RS-232串口、USB端口、網絡端口傳送到測試手機和GPS接收機。采集到的場強信息和其他QoS參數通過RS-232串口、USB端口、網絡端口發回數據采集控制單元。

2）數據處理層

數據處理包括數據的分析、存儲和回放。

*數據存儲模塊：負責數據的存儲。

*分析模塊：負責統計分析接收的數據，分析網絡質量。采用Lee氏定律、統計法等對測試數據進行處理。

*回放模塊：播放存儲的數據，可以輸入不同的鐵路區間，查看這段區間內的網絡質量信息。

用戶層負責數據的顯示以及測試參數的設置。主要有控制中心和測試配置模塊。

*控制中心：負責測試系統和測試人員的交互，傳遞測試指令，接收和顯示測試數據。

*測試配置模塊：用于設置測試類型和測試參數。

3.2 模塊劃分

測試系統包括圖形用戶界面、測試流程控制模塊、數據展現窗口模塊、數據解析及日志記錄模塊、測試數據回放模塊及串口操作模塊；其中測試流程控制模塊與圖形用戶界面、數據解析及日志記錄模塊連接，數據展現窗口模塊與首選項配置模塊、數據解析及日志記錄模塊連接。各個模塊之間的關系如圖5所示。

3.3 模塊設計

1）圖形用戶界面

圖形用戶界面用來對硬件系統及定位設備進行設置，導入有用的數據文件，并將設置的結果提供給測試流程控制模塊。

電廠汽輪機在檢修維護中涉及了較多的作業內容，其中主要的幾類檢修維護內容為：葉輪的檢修及維護、汽輪機異響，振動現象的檢修及維護、汽輪機凝汽器的檢修及維護、汽輪機油系統的檢修及維護、汽輪機大軸的檢修及維護。

2）測試流程控制模塊

通過模塊配置，控制各硬件進行測試流程。對數據解析及日志記錄模塊提供的不同事件、控制硬件模塊做出相應的狀態轉換，比如手機收到的數據如果是通話建立成功，則可以控制手機斷開從而進行下一次通話。

3）數據展現窗口模塊

用于顯示數據解析及日志記錄模塊輸出后的各種信息。

4）數據解析及日志記錄模塊

提供對各硬件模塊輸出的數據進行解析，并生成相應的事件，將數據和事件記錄到日志文件中；同時為數據展現窗口提供解析后的數據，為測試流程控制模塊提供各種事件。

5）測試數據回放模塊

對日志文件進行回放，再現測試的整個流程；查看任意一點的測試數據及統計數據。

6）串口操作模塊

提供串口連接、斷開、寫數據和讀數據等操作。

4 測試功能實現

4.1 圖形用戶界面

如圖6所示，無線網絡測試軟件菜單欄從左到右分別為文件、工具、測試、回放、視圖和幫助等6項。

1）文件

包含連接、斷開、數據文件保存目錄設置、導入基站數據、輸入起始里程、退出系統等功能。

2）工具

包含發送AT指令、語音撥號、CSD數據撥號、生成EXCEL統計報表等功能。

3）測試

包含開始測試、暫停測試、繼續測試、停止測試、重新撥號等功能。

4）回放

對已保存數據的回放功能，包含.dat文件及.csv文件的打開。

5）視圖

對視圖版面相關的調整等功能。

6）幫助

測試軟件的相關幫助文檔。

4.2 測試成果演示

在武廣客運專線武漢站附近10 km左右的區域，進行功能測試。

測試指標包括鐵路沿線服務小區頻道、GPS位置、接收場強等信息。實測中對GSM-R頻段進行掃描，輸出的場強電平信息、越區切換信息、信號質量信息、列車運行軌跡等，相關功能如圖7、8所示。

由于測試路徑距鐵軌有一定的橫向距離，且信號接收于車體內部，建筑物、橋梁以及車體本身的遮擋對接收信號強度有一定的衰減。經分析，測試軟件能正常完成場強測試要求，并準確記錄場強信息。

5 結束語

本文介紹了無線網絡優化測試工具的主要功能需求以及模塊設計、實現方案，通過模擬測試及試用，測試系統能準確無誤的將場強、語音撥打、列控數據傳輸等信息采集并整合轉存于數據庫中，方便分析可能的質量隱患或故障，從而制定網絡優化調整方案，確保GSM-R網絡的正常運行。測試工具要有待經工程實際測試應用后進行調整優化，使之更符合應用需求。

[1]李航，劉宏志.基于ESPI的GSM-R場強數據采集系統的設計與實現[J].北京工商大學學報（自然科學版），2009，27

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[2] TB10418-2003鐵路運輸通信施工質量驗收標準[S].

[3] Nick Randolph，David Gardner，Michael Minutillo.Visual Studio 2010高級編程[M].北京：清華大學出版社，2012.